微型燃气轮机的结构及发电原理（燃气轮机知识汇总及其燃机电站简单介绍）

微型燃气轮机的结构及发电原理（燃气轮机知识汇总及其燃机电站简单介绍）1920 年，德国人霍尔茨瓦特制成第一台实用的燃气轮机，其效气轮机 但效率太低，仅 3～4％，因而未获得实用。1872 年，德国人 F.施托尔策设计了一台燃气轮机，并于 1900～1904年进行了试验，但因始终未能脱开起动机独立运行而失败。1905 年，法国人 C.勒梅尔和 R.阿芒戈制成第一台能输出功的燃

一、燃气轮机的发展史

燃气轮机的发明最早可追溯到我国古代发明（1131-1161 年）"走马

灯"，靠蜡烛火焰产生的热气吹动顶部的叶轮来带动剪纸人马旋转。

1791 年，英国人 J.巴伯首次描述了燃气轮工作过程。

1872 年，德国人 F.施托尔策设计了一台燃气轮机，并于 1900～

1904年进行了试验，但因始终未能脱开起动机独立运行而失败。

1905 年，法国人 C.勒梅尔和 R.阿芒戈制成第一台能输出功的燃

气轮机 但效率太低，仅 3～4％，因而未获得实用。

1920 年，德国人霍尔茨瓦特制成第一台实用的燃气轮机，其效

率为 13％、功率 370kw，按等容加热循环工作，但因等容加热循环

以断续爆燃的方式加热，存在许多重大缺点而被人们放弃。

1939 年，在瑞士制成了 4Mw发电用燃气轮机，效率达 18%。同

年，在德国制造的喷气式飞机试飞成功，从此燃气轮机进入了实用阶

段，并开始迅速发展。

1941 年，瑞士制造的第一辆燃气轮机机车（1.64 兆瓦）通过了

交货试验。

1947 年，英国制造的第一艘装备燃气轮机的舰艇下水，它以 1.86

兆瓦的燃气轮机作加力动力。

1950 年，英国制成第一辆燃气轮机汽车（75千瓦）。此后，燃气

轮机在更多的部门中获得应用。

到 1998年世界上有 56个国家在上千艘舰船上使用了燃气轮机作

为动力，燃气轮机数量达 2500 多台。在民用高性能商用船舶上的应

用也在增加。

在 1991 至 2000 年的十年中总共生产了近千台舰船用燃气轮机。

1987 年美国燃气轮机发电量首次超过其他形式的发电量，专家

预测，到 2020 年全世界燃气轮机发电可能会接近 50%左右。燃气轮

机发电较好地解决了高峰及应急用电及自备电源问题。发电应用是燃

气轮机最为重要的市场领域。

目前，世界上能设计和生产工业重型燃气轮机的主导厂家有：美

国 GE（通用电气）公司(22-519MW)、德国 Siemens（西门子）公司

(5-287MW)、法国 Alstom(阿尔斯通)公司(90-335mw)、日本Mitsubishi

（三菱）公司(28-116mw)和日本 HITACHI（日立）公司(16-32mw)。另

外还有一些设计和生产轻型燃气轮机的厂家，如美国 P&W（普惠-注

意这个不是做打印机的惠普）公司、美国 Solar Turbines（索拉透平）

公司(1-13.5mw)等。

我国已建成了有一定规模的汽轮机行业，如哈汽、上汽、东汽、

北汽，能生产 30-100 万千瓦的蒸汽轮机机组，还有制造中小机组的

南汽、武汽、杭汽、青汽、广汽等工厂。但是，燃气轮机工业还处于

起步阶段。虽然航空发动机厂都有生产燃气轮机的技术能力，机械、

航天、造船和石化系统部分企业也已具有一定的维修和生产能力，不

过燃气轮机的产量十分有限，尚未形成专业化设计、研发和生产基地。

现在，我国航空工业已开始与外方合作参与燃气轮机有关的工作，如

和 UTC 的 TPM 公司合作设计、生产 FT-8 燃气轮机，为国外公司生

产零件等业务。然而，目前我国在使用的燃气轮机多为进口，尤其是

大型机组。

国内燃气轮机生产厂商：南京汽轮电机公司、哈尔滨汽轮电机公

司、绵阳的东方汽轮电机公司、上海汽轮电机公司、沈阳鼓风机厂、

北京中航世新燃气轮机公司、沈阳黎明航空发动机公司、西安航空发

动机公司、成都航空发动机公司

二、燃气轮机分类

按使用对象分：

航空用燃气轮机（飞机动力）、工业用燃气轮机（驱动发电机、

压缩机、泵油机等）、舰船用燃气轮机（驱动舰船螺旋桨）

按功率大小分：

轻型燃气轮机（航机改型）、重型燃气轮机、微型燃气轮机

按热力循环方式分：

简单循环、复杂循环（回热、再热、中冷等）、联合循环（燃机

汽轮机）

按转子数目分：单转子、双转子、三转子；

三、燃气轮机工作原理

压气机连续地从大气中吸入空气并将其压缩。压缩后的空气进入

燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧 成为高温燃气 随即流入燃气透平

（以下简称透平）中膨胀作功，推动透平叶轮带着压气机叶轮一起旋

转。加热后的高温燃气的作功能力显著提高 因而透平在带动压气机

的同时 尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。

流入动力涡轮的燃气工质在动力涡轮中膨胀做功，推动动力涡轮

旋转，并由动力涡轮轴以旋转扭矩的方式向天然气压缩机提供机械能，

驱动离心式压缩机旋转工作，由压缩机对管道天然气增压。

燃气轮机由静止起动时，需用起动机(如液压、气动起动机或变

频电动机)带着旋转，待加速到能独立运行后，起动机才脱开。

燃气轮机的工作过程是最简单的，称为简单循环。此外，还有回

热循环和复杂循环。

燃气轮机的工质来自大气，最后又排至大气，是开式循环。此外，

还有工质被封闭循环使用的闭式循环。燃气轮机与其他热机相结合的

称为复合循环装置。

从燃烧室到透平进口的燃气温度称为燃气初温。初温越高透平出

功越多，燃气轮机的输出功就越大。燃气初温和压气机的压缩比，是

影响燃气轮机效率的两个主要因素。提高燃气初温 并相应提高压缩

比 可使燃气轮机效率显著提高。

燃气轮机的启动部件

三、燃气轮机结构

燃气轮机(Gas Turbine)由燃气发生器涡轮（Gas Producer 简称 GP）和

动力涡轮(Power Turbine 简称 PT)组成，再配以进气、排气控制、以及

其他辅助系统。

燃气发生器由压气机、燃烧室、涡轮三大部件构成。

3.1、压气机

压气机是燃气发生器的一个重要部件，功能是从周围大气吸入空

气并将空气压缩增压，然后连续不断的向燃烧室提供高压空气。

燃气发生器压气机有三种型式：轴流式压气机、离心式压气机、

轴流 离心混合式压气机。

轴流式压气机与活塞式压气机不同，它不是靠减小体积增压，轴

流式压气机是靠高速旋转的叶片对流动气体作功来实现增压的，称为

动力式压气机。

轴流式压气机由两大基本部分组成：一部分是以转轴为主体的可

转动部分，称为压气机转子。在转子的轮盘上装有一排排转子叶片（又

称为工作叶片、动叶），是组成转子的主要部件。另一部分是机匣和

装在机匣里的一排排静止叶片（又称为静叶、导流叶片）构成的静止

不动部分，称为压气机静子。压气机的构成：压气机转子 压气机静

子

压气机装配图

3.1.1、压气机工作原理

压气机叶栅构成：转子叶片构成的动叶栅 静子叶片构成的静叶

栅。压气机"级"的定义： 一排动叶栅和紧随其后的一排静叶栅构

成压气机的一个"级"。

级是多级轴流式压气机进行能量交换的基本单元。由于单级增压

有限，所以需要多级串连实现需要的增压比。轴流式压气机通过高速

旋转的叶片对流动中的气体做功，把从涡轮传来的机械能转化为气流

的动能和压力能，使气流绝对速度增大，压力增压。动能在导流叶片

通道里再转化成压力能，使气流压力进一步增大。

压气机转子叶片的叶型弯曲角越大，级的增压能力越强。但弯曲

角越大，气流分离的也越容易发生，使压气机的效率降低，所以压气

机转子叶片的气流弯曲角最大也就 30~40 度的样子，不能太大。

3.2、燃烧室

燃烧室的基本类型：分管燃烧室、联管燃烧室、环形燃烧室

燃烧室结构

燃烧室的主要部件有燃烧室外套、燃烧室内套、进口扩压器、火

焰筒、燃料喷嘴、涡流器、点火器等。

环形燃烧室是一种先进的燃烧室设计，它具有体积小、重量轻、

流阻损失小、联焰方便、排气冒烟少、火焰筒加工成本低等优点，现

代燃气轮机几乎全都采用这种形式的燃烧室。

燃烧室是静止高温部件，结构设计中主要应考虑热膨胀和减小局

部热应力的问题。火焰筒有气膜保护冷却，不会被火焰烧坏。但燃烧

室工作时的强烈振动会造成火焰筒裂纹。喷嘴积碳也会使燃料喷雾锥

倾斜，将燃料喷射到火焰筒上，造成火焰筒烧伤。

进入燃烧室的高压空气流分为 "一次空气"、冷却空气、 "二

次空气"，其用途分别为：一次空气流经火焰筒的旋流器、火焰筒头

部进气鱼鳞孔及火焰筒前部的几排射流孔进入火焰筒的燃烧区。

一次空气约占总空气量的 20%。这样比例的燃料空气混合气燃烧后，

变成 1800~2000℃的高温燃气。 一次空气是为了保证燃料完全燃烧

必须供入到燃烧区的燃烧用空气。一次空气流入火焰筒时的空气柱的

后部低速区，还起火焰稳定器的作用。

冷却空气

穿过火焰筒壁上的许多间隙缝进入火焰筒，并力图沿着火焰筒壁

流动，形成一层空气冷却膜保护火焰筒壁温度不会超过 700℃，使火

焰筒有较长的工作寿命。

二次空气

经火焰筒后段的射流孔射入从燃烧区来 1800~2000℃高温燃气

之中，进行掺混降温，使燃气温度降低到有冷却的涡轮叶片所能承受

的限制最高温度。

红色：一次空气流；蓝色：二次空气流

火焰筒内的火焰和气流

3.3涡轮

涡轮是把燃气工质的能量转变成涡轮转子轴输出机械功的部件。

燃气发生器涡轮用来带动压气机，动力涡轮用来带动外部负载天然气

压缩机。对涡轮的要求是：级数少，效率高，冷却措施有效，工作寿

命长。

燃气发生器涡轮是指带动压气机的涡轮，不对外做功。燃气发生

器后部的大直径涡轮是对外带动天然气压缩机工作的动力涡轮。这两

种涡轮担负的任务不同，但工作原理是完全相同的。

在燃气发生器涡轮中燃气的一部份能量被转换成涡轮转子的机

械功带动压气机，燃烧室出口燃气能量的 2/3 被燃气发生器涡轮转换

吸收，燃气的温度和压力大幅度降低，但仍然具有相当高的能量和做

功能力。燃气的这部分剩余能量在动力涡轮中再次充分膨胀做功，机

械能由动力涡轮轴输出，带动天然气压缩机。从动力涡轮出来的燃气

由于能量已充分被利用，温度压力都已经很低，除其中的热能（约

500℃）可用回收利用之外，已是一股没有多大用处的废气，人们往

往称其为烟气，可直接排入大气之中。

燃气在涡轮膨胀做功，燃气体积膨胀增大，因而涡轮流通面积要

逐渐变大成为扩散通道，叶片长度逐级加长。

涡轮转子

涡轮转子叶片是燃气轮机中工作条件最恶劣、承受应力最大的零

件，它的材料和冷却设计，决定了涡轮前燃气温度的高低，对燃气轮

机性能有极大的影响。涡轮前燃气温度越高，动力涡轮的输出功率越

大，机组热效率越高。 人们往往把燃气发生器涡轮前燃气温度的高

低作为衡量燃气轮机性能水平的指标。

涡轮设计工作在很大程度上关注的是涡轮叶片的冷却设计。涡轮

叶片冷却效果好，涡轮前燃气温度就可高一些，涡轮的做功能力会更

强，机组的热效率会有所提高。现代发动机的涡轮叶片冷却设计都很

复杂讲究，采用的冷却方式有对流、冲击、气膜冷却等，能将涡轮叶

片表面温度降低 500℃以上。涡轮叶片所用的高温耐热合金在不冷却

的情况下可承受 700℃的高温，如果有 500℃的冷却效果，涡轮前燃

气温度就可提高到 1200 ℃的高水平。

涡轮导向叶片静止不动，不承受离心应力的作用，因而只要稍作

一些冷却设计，就可承受很高的涡轮前燃气温度。

燃气在涡轮中的膨胀流动是从高压流向低压，没有压气机中的气

流分离等现象，因而涡轮的效率比压气机高，做功能力强。6、7 级

压气机，1级涡轮就可带动。

涡轮叶片

涡轮工作原理及组成

涡轮基本上是由前面静止的导向叶片组件和后面旋转的工作轮

（转子叶片 轮盘 涡轮轴）组件组成。

涡轮" 级"的定义为由处于前面的静止的一圈导向叶片和紧随

其后的旋转的一圈工作叶片组成。导向叶片引导燃气以恰当的角度冲

击涡轮工作叶片。工作叶片被燃气"吹转"，把燃气中的能量转换成

涡轮转子的轴功率。

燃气流在导向叶片通道中只进行能量的转化，将燃气的压力能和

热能转换成动能，使燃气速度大幅度提高并引导燃气以合适的方向冲

击涡轮转子叶片。在转子叶片通道中燃气流进行能量的交换，燃气对

转子叶片做功，推动转子叶片旋转，将其压力能和热能转换成从涡轮

轴输出的机械功。

四、燃机电站概况

燃气轮机（Gas Turbine）先广泛应用于航空和宇航领域，随后迅

速向能源（发电）、石化、冶金以及海陆交通等诸多领域发展。

先进的燃气轮机已普遍应用模块化结构。运输、安装、维修和更

换都比较方便，而且广泛地应用了孔探仪，振动和温度监控、焰火保

护等措施，其可靠性和可用率大为提高，指标已超过了蒸汽轮机电站

的相应指标。9E、9F 级重型燃气轮机已在发电领域得到广泛地应用。

GE和西门子公司都已研发了 H 级燃气轮机。

其中 GE 公司基于空气冷却透平技术的 9H 级燃气轮机其联合循

环效率约 61%，联合循环出力可达到 592MW。西门子公司全内空冷

H 级燃机单机出力约 400MW，联合循环出力约 600MW ，效率也在

60%以上，自 2011 年以来全球已投产 9 台，首台投产于德国巴伐利

亚州

在环保方面，由于燃气轮机的燃烧效率很高，排气干净，未燃烧

的碳氢化合物，CO、S0x，等排放物一般的都能够达到严格的环保标

准，再结合应用注水或注蒸汽抑制燃烧、干式低 NOX 燃烧室，或者

在排气管路中安装选择性催化还原装置(SCR)等技术措施，可使 NOx

的排放低至 9ppm 满足最严格的环保要求。因此，燃气轮机发电机组，

特别是燃气-蒸汽联合循环机组已作为基本负荷机组或备用机组得到

了迅速的应用。

燃气轮机的应用发展现已提高到降低总能耗的高度，它是当前世

界节能技术的主要发展方向之一。能量的分级利用与综合利用的全能

量系统工程的概念被普遍重视，以热电联产及热动联供为核心的总能

系统同样有广阔的前景，今后在能量转换过程的系统中，燃气轮机将

占更重要的位置，并将大量采用燃气轮机总能系统。

现在世界上已有二十多个国家，一百多个企业生产近千种型号的

燃气轮机，国内主要引进通用（GE）、西门子、三菱技术。

燃气轮机简单循环原理（布雷登循环）

燃气轮机标准工况定义（ISO11086:1996）

燃气轮机的标准额定出力指燃气轮机在透平温度、转速、燃料、

进气温度、压力和相对湿度、排气压力为标准参考条件，且处于新的

和清洁状态下运行时的标准或保证的出力。

ISO工况定义：压气机进口压力为 101.3kPa，温度 15℃，相对湿

度 60%；用来冷却工质的冷却水或空气温度为 15℃；标准气体燃料

的 H/C 重量比为 0.333，净比能为 50000kJ/kg；标准燃料油的 H/C 重

量比为 0.1417，净比能为 42000kJ/kg。

*燃机订货四工况：1.ISO 工况：标况、2.性能考核工况（年均工况）、

3.夏季工况：考核最小出力、4.冬季工况：选发电机。

燃机电站相关名词定义：

简单循环：依次由压缩、燃烧、膨胀过程组成的热力循环；

联合循环：燃气轮机循环与蒸汽或其他流体的朗肯循环相联合的

热力循环；

燃料比能(热值) ：总比能是单位质量的燃料燃烧时所释放的总热

量，用 kJ/kg 表示，净比能是总比能减去燃烧过程中水分蒸发所吸收

的热量，也用 kJ/kg 表示；

热耗率：每单位时间消耗的净燃料能量与输出的净功率的比值，

单位是 kJ/kWh；

热效率：净输出功率与基于燃料净比能的热消耗量之比。

五、联合循环发电技术

1 1 联合循环发单系统简图

联合循环发电技术的优点：较低的单位千瓦造价；建设周期短、

低排放，NOx<25ppm；SO2 及烟尘量与天然气成分有关，但很小，无

需脱硫、除尘、可靠性高；联合循环热效率高。

联合循环的型式一：燃气-蒸汽联合循环发电

联合循环的型式二：燃气-蒸汽联合循环热电联产

联合循环的型式三：燃气轮机 低压余热锅炉

余热锅炉型式

余热锅炉构成

余热锅炉由省煤器（凝结水加热器）、蒸发器、过热器以及联箱

和汽包等换热管簇和容器等组成。在省煤器中锅炉的给水完成预热的

任务，使给水温度升高到接近于饱和温度的水平；在蒸发器中给水相

变成为饱和蒸汽；在过热器中饱和蒸汽被加热升温成为过热蒸汽；

卧式余热锅炉：燃气水平地流过过热器、蒸发器、省煤器等，燃

气呈"横向流动" 而与其相配的传热管束为垂直布置，并通常采用

自然循环。

立式余热锅炉：锅炉中燃气由下向上顺序流过过热器、蒸发器、

省煤器等，燃气呈"纵向流动" 与其相配的传热管束为水平布置。

在蒸发段，借助循环泵把水压入蒸发器管束，形成了强制循环。

联合循环机组的蒸汽轮机

六、联合循环热力系统选择

实用的燃气轮机—汽轮机联合循环发电装置（简称联合循环）从

热力循环系统的角度来分主要有以下五类：

（1）无补燃的余热锅炉型联合循环

所有的热量都由燃气轮机带入的联合热力循环，这是一种以燃气

轮机为主的联合循环，燃气侧参数对系统性能影响较大。

（2）有补燃的余热锅炉型联合循环

在工质经过燃气轮机做功后加入一部分热量参与循环的联合热

力循环。补燃作用是提高蒸汽参数与蒸汽产量，增加汽轮机的功率或

对外部工艺流程提供额外的供热蒸汽。

（3）排气全燃型联合循环

利用燃气轮机排气作为热风助燃的联合循环。工质中剩余的氧几

乎全部与燃料发生化学反应。这是一种以汽轮机为主的联合循环，系

统性能在很大程度上取决于蒸汽侧循环参数。

（4）增压锅炉型联合循环

蒸汽发生器放在循环的燃气侧燃烧室之后和燃气透平之前的联

合循环。也是一种以汽轮机为主的联合循环，系统性能主要取决于蒸

汽侧循环参数。

（5）给水加热型联合循环

燃气轮机的排气主要用于加热蒸汽循环系统给水的联合循环。更

是以汽轮机为主的联合循环；系统性能主要取决于蒸汽循环；适用于

燃气轮机排烟温度较低的情况。

上述五类联合循环不仅都能用于发电，而且还都可以做成热电联

产或热电冷三联供的联合循环，即可从系统某处引出蒸汽供工艺流程

使用。通常，无补燃的余热锅炉型联合循环是各种联合循环中效率最

高的，因为输入的热量全部在燃气侧的较高温度下加入循环体系的，

因而得到最多的应用，最适合于带基本负荷和中间负荷的机组。

因此分布式能源项目推荐采用无补燃的余热锅炉型联合循环。

联合循环机组轴系配置

就联合循环电厂而言，系统的轴系布置方案是决定电厂结构和机

组效率及灵活性的重要因素。通常，轴系布置方案可以分为单轴和多

轴，单轴是指燃气轮机和汽轮机在同一根轴上共同推动发电机做功；

多轴则是燃气轮机和汽轮机的轴分开，分别推动各自的发电机做功。

多轴方案中可以是 1 台燃气轮机对应一台汽轮机，也可以是多台燃气

轮机对应一台汽轮机，根据燃气轮机的台数，分别称为"1 1"、"2 1"、

"X 1"多轴系统。通常大容量燃机多配单轴，容量较小的常按多轴

配置。

联合循环轴系配置对电站投资成本、总体布置与占地面积、运行

操作以及热力性能(特别是变工况的性能)、机组是否承担电网调峰等

都有很大影响。除此之外，还应适当考虑投资、运行灵活性、占地面

积、建设周期、国产化率、维修等因素的影响。电站设计优化选择时

应综合考虑以上各种因素来确定选择轴系配置总体方案。

对于分布式能源项目，以热（冷）定电，所供热（冷）负荷基本为工

业热负荷和空调冷、热负荷，其可靠性要求较高，因此采用单轴配置

优势不明显；且对于热电冷三联供机组，将同时承受电网和热（冷）

网波动的影响，为保证安全可靠，推荐采用多轴配置方案。

七、燃气轮机的种类的应用区别

（1）根据各方技术数据的比较，若采用纯凝发电工况运行则航

改型燃气轮机占优，对于分布式能源项目长期抽汽发电工况运行则工

业重型燃气轮机占优。

（2）对于分布式能源项目选用的燃气轮机不仅要注重经济性，

更要注重安全性和可靠性。

（3）对于分布式能源项目，采用工业重型燃机比较合适，对于

要求启停快的调峰电厂采用航改型燃机比较合适。

（4）对于分布式能源项目，宜采用无补燃的余热锅炉型联合循

环，并采用多轴配置方案。